生态理念在平原水库设计中的应用探讨

王莉 刘长林 秦夫锋 王慕春 晏清洪

摘 要：以前的平原水库设计中注重水利功效、忽视生态设计，水库建成后造成巨大的生态环境破坏。随着科技水平的进步和经济的高速发展，亟须在平原水库设计阶段植入生态设计。在调研黄河三角洲七座平原水库的基础上，查找原有设计思路下产生的生态问题，并针对问题研讨形成了库中湿地替代隔坝、采用曲状库底、库水环流、充分利用当地天然防渗材料杜绝土工膜、生态护坡等生态设计对策。研讨结果可为平原水库生态设计提供参考。

关键词：平原水库;设计;生态理念;应用

中图分类号：TV697.3     文献标识码：A       文章编号：1003-5168（2021）27-0098-04

Abstract： The former plain reservoir design paid attention to the water conservancy efficiency and ignored the ecological design， which caused huge ecological environment damage after the completion of the reservoir. With the progress of science and technology and the rapid development of economy， it is urgent to implant ecological concept in the design stage of plain reservoir. Based on the investigation of seven plain reservoirs in the Yellow River Delta， this paper finds out the ecological problems under the original design ideas， and discusses and forms the corresponding ecological design countermeasures， such as borrowing the wetland in the reservoir to replace the dam， adopting the curved reservoir bottom， the circulation of reservoir water ， making full use of local natural anti-seepage materials， so as to eliminate geomembrane， building ecological slope protection， etc. The research results can provide reference for ecological design of plain reservoir.

Keywords：plain reservoir; design; ecological concept; application

水利工程不仅充分发挥水资源開发、利用、配置功能，也能充分发挥生态保护作用。当前，我国水利事业发展进入新时代，治水主要矛盾已发生深刻变化，从人民群众对除水害兴水利的需求与水利工程能力不足之间的矛盾，转化为人民群众对水资源水生态水环境的需求与水利行业监管能力不足之间的矛盾。按照“水利工程补短板、水利行业强监管”的总基调，把研究生态水利工程及相关工作的开展作为水利部的重点工作之一，是落实生态文明建设的客观要求，是水利行业贯彻落实习近平总书记治水重要论述及全国生态环境保护大会精神的务实举措，是新时期落实水利改革发展总基调的有力支撑。

平原水库是指为供水、灌溉等目的，在平原地区，利用局部低洼地圈筑围堤进行蓄水的工程设施。平原水库一般位于大江、大河下游冲击平原地区，如我国黄河三角洲平原。平原水库在一定程度上解决了北方河流枯水期农业灌溉引水不足的问题，作为补充水源，为农业抗旱和灌溉提供用水，促进了农业的增产增收。为城、乡生活用水提供了丰足的水源，解决了多年来沿黄平原区人民饮用咸水、含氟水等劣质水的历史难题，提高了人民生活质量，保障了人民的健康。为区域经济发展提供了可靠的水源，缓解了工农业争水的矛盾。平原水库的建设，大大减少了平原地区的地下水开采，有效地遏制了地下水漏斗区的扩展，防止了地面沉降、水质恶化的地质、环境灾害的发生。

工程设计是工程建设的先导、灵魂和关键，是提高建设项目经济社会效益、保障工程质量安全的重要保证。传统平原水库设计过程中缺少生态理念。生态理念以尊重和维护自然为前提，以人与人、人与自然、人与社会和谐共生为宗旨，建立可持续的生产方式和消费方式为内涵，以引导人们走上持续、和谐的发展道路为着眼点。对于水利工程设计，生态理念更多地是指通过特定设计方法的运用，减少水利工程建设过程对生态环境造成的不利影响，促进水利工程与生态环境的和谐发展。受传统设计理念、设计方法以及设计流程等方面的影响，水利工程设计实践中依旧存在着诸多方面的缺陷与不足，制约着整体设计效果与质量的优化提升。受以前经济水平限制，一般设计者生态意识不强，单纯重视水库的水利功效，从工程选址到设计，忽视自然生态系统之间联系，设计思路落后，破坏了水库库区及周边的生态稳定性，没有做到与自然和谐发展。因此，要强化生态理念在水利工程设计过程中的运用，摒弃传统陈旧的设计方法与设计理念，真正将生态理念融入水利工程设计全过程。

1 当前平原水库设计存在的问题

平原水库的特点主要有围坝轴线较长，地质条件较差，筑坝土料较差，蓄水深度较浅，水面积大，蒸发量较大等。在水库设计阶段植入生态设计理念，可以最大程度避免生态破坏，保护水库及周边生态环境，达到与自然和谐相处的前提下开发利用。

1.1 管理制度方面的问题

1.1.1 未充分获取和应用水文、生态资料。充分研究水文和生态资料是进行生态设计的基础和前提，目前普遍存在设计中水文资料不全、生态资料缺失等共性问题，制约着生态设计的发展和提升[1]。

1.1.2 缺乏生态水利工程设计规范。在平原水库设计中，融入生态理念的生态设计规范，是设计方案必要的方向性引导。实践中，当前水利工程设计方面的设计规范严重缺失，不得不依旧沿袭传统陈旧的设计规范与技术标准，已经远远不能满足新形势下平原水库设计在生态环境方面的强烈需求[2]。

1.2 技术方面的问题

1.2.1 水平库底带来的生态影响。平原水库受地质限制少，所以设计中容易采用单一的“平库底+围坝”的基本思路。并且一般采用庫底全铺土工膜水平防渗的平原水库，蓄水初期，往往产生土工膜局部隆起的气胀现象[3];不利于围坝坝内坡稳定，考虑应力平衡，还要搞压重平台类的措施会占用有效库容，并且过多的工程建设产生生态影响巨大;应对地质灾害如地震时产生的变形能力差;水平库底造成库水深度单一，不适合于多种水生物生长。[2]

1.2.2 库中隔坝的生态影响。由于平原水库水域面宽广或者狭长，许多平原水库中设计隔坝（例如，德州市陵城区的仙人湖建有长1.51 km的隔坝）为了缩短风吹程，减小波浪爬高和波浪压力，最终可以降低坝高而节省不少的坝体填筑方量[4]。但是库中隔坝同时带来多种生态问题。

①隔坝从稳定性和安全性出发必须按土石坝标准设计，所以不得不增加隔坝的建设投资和长期的运行管费用，土石坝的体积过大，一是侵占过多有效库容，二是巨大的土石坝建设产生巨大的生态环境破坏，进而影响水库的总体生态效益。

②隔坝造成水库水生态整体性的隔断和水生物巡游环境的阻碍。以东营市的广南水库为例，广南水库浮游动物的优势种轮虫，随着浮游动物的生物量高峰趋势由小区域向大区域的位置变化，说明在深水水域浮游动物的捕食压力较小，因此能长成较大的个体。同时，从一库到二库水体深度是逐渐增加的，受风浪影响越小，浮游动物也容易长成较大个体[2]。

③隔坝作为水利风景区的长廊，管理人员和游人在隔坝上工作、游玩等活动对水库水质造成直接污染，进而影响到水库生态。广南水库在隔坝沿线生物量明显少于深水库区，轮虫个体也显著小于深水库区[2]。

1.2.3 水库底流静水状态的生态影响。一是导致库水含氧量降低，从而影响水生动植物的生活生长。二是静水滋生大量水草，黄河三角洲诸水库和辛安水库，水草滋生现象普遍，但水草的大量发生没有对水质改善产生积极意义。大量滋生的水草在水生动物旺盛生长的季节大量占用营养盐，影响了水体中的物质循环和能量流动，降低整个水系统中动物的生产量[1]。

1.2.4 刚性防渗和复合土工膜防渗的生态影响。可以达到很好的防渗效果，但从生态角度来看，绝对的防渗把水库变成了“铜帮铁底”的“大游泳池”，阻断了水体与土壤的物质交换，隔断了水库生态系统和陆地生态系统的联系。另外，20世纪80年代以来广泛采用的复合土工膜，生态效果受到质疑[5]。

1.2.5 围坝采用混凝土护砌的生态影响。在传统的水库坝坡防护工程设计中，一般会采取硬化护砌措施，常用材料包括石材、混凝土等。硬化护砌结构的最大优势在于自身的稳定性较强，可以持续使用多年，但不利于生态环境建设，其不仅会破坏原有的水环境景观和谐性，更会对水环境生物群种的发展和造成一定的影响[6]。

2 生态理念在平原水库设计中的应用建议

2.1 管理制度方面措施

2.1.1 坚持生态设计理念贯穿水库设计工作全过程。牢固树立人与自然和谐的生态工程理念，坚持科学的发展观，严格遵守自然经济规律，将生态理念融入工程的规划、设计、施工、运行及管理的全过程，保证工程在取得经济效益和社会效益的同时，减少环境污染和生态破坏，维护生态平衡[7]。随着时代的进步，国家对水利工程的要求也在逐步提高。多项关于生态保护法律出台也把生态文明建设上升到更加突出的位置。将绿色生态的理念渗透到各个环节，特别是坚持用生态文明的理念抓好前期与勘察设计工作更是能够发挥出事半功倍的生态效益[8]。

2.1.2 加强设计技术人员生态理念培训。平原水库的生态设计要用到水利、环境、生物科学、力学、生态学等多种学科的原理和知识[5]。这就对新时代的设计技术人员提出了更高的要求，对此，制订系统性的培训与学习计划，定期对设计人员进行专项培训与指导，使其学习水库设计新理念，强化生态理念在设计过程中的运用，摒弃传统陈旧的设计方法与设计理念，真正将生态理念融入水库工程设计全方位[1]。

2.2 技术措施

2.2.1 坝址选择。平原水库通常选址在低洼地区，应该遵循生态环境最终以生物多样性判断的根本原则，在围坝及库盆布置时，应考虑尽可能多地保留保护当地已有的生物物种资源，对有可能在水库蓄水后发挥自身修复生态能力的生物链，在设计时重点考虑加以保护，并在设计中列出专项保护措施，使得新建的水库环境有利于生物多样性的发展。充分利用原有地貌如沼泽，本身就是不漏水的区域，简单粗暴地铲除，再原地做防渗，更是百害无一利。同时，考虑尽量减少甚至避免库区移民，避免人类搬迁造成的生态破坏[9]。

2.2.2 以库中湿地替代隔坝。借鉴农业防风林带的防风浪思路，考虑利用高秆植物减小吹程及风浪影响和降低坝高的，设计成潜流湿地，种植高杆芦苇等半水生当地植物，当地植物生长具有适合本土环境、侧根系、根总数多、粗壮且分布均匀及板根发达的特点，从而防风和抗风能力最优[10]，减小波浪爬高的效果更有效，既能避免波浪对隔坝的荡蚀，并且当地植物更利于周围物种的生活，从而更利于生态整体性修复[11-13]。所以，尽量利用原库区的地形、地貌和已有的生物资源，将需要设置隔坝的地方修整为库内湿地。

2.2.3 采用曲状库底。平原水库一方面考虑应尽量做深，以减少渗漏，减少蒸发。更应全方面考虑库底形状对水库生态的综合影响。曲状库底坝坡逐渐变缓有利于坝坡自身稳定而节省护砌，还有利于生物链的生态多样性可持续。提高的自身修复能力反过来有利于水库坝坡的稳定而节省维修养护费用;库底渐变的水深还要有利于生物多样性[2];不允许施工扰动改成湿地部分的土层，还有利于减少水库的渗漏;湿地植物的生长还有利于保水和减少蒸发损失。综合形成能起到减弱风浪对围坝影响的隔坝作用，还能减少对生物及环境的扰动，避免人工填筑生态岛的巨大工程生态破坏。

2.2.4 设计库水环流，让水库静水变流水。库中替代隔坝的局部湿地与围坝之间设计成顺围坝方向的库水环流。既能起到自然净化水质的作用，还能尽量减少人为干扰对生态湿地的影响。当然还要注意在保证工程安全运行的前提下，可以采用一些有利于提高水生态环境自身修复能力的新技术，创造有利于形成生物循环的条件，促进生物多样性[8]。比如围坝迎水面死水位附近的堆石体（注意设置反滤垫层），既可以稳定坝坡、防止冲刷，又作为坝面护坡的基脚，还为岸边鱼类提供了鱼窝，有利于生物多样性的保护和发展。综合起来生态效果比较好。

2.2.5 以天然防渗取代刚性防渗和土工膜防渗。水库的防渗层，尽最大限度利用库盆的天然相对隔水层，辅以当地具有防渗性能的填料（包括黏性土、人工掺和砾石料，甚至淤泥料在水下都有较好的防渗和自弥合性能），对于外来材料，即使采用膨润土类材料，也比复合土工塑料膜更便于施工，便于检查，便于修复，不会污染生态，有利于生物链的形成，提高自身修复能力，提高生物多样性[5]。不但有利于防渗，造价还比较低。所以，应以围坝坝体下游不产生浸没区为原则。因为有关坝体渗透计算，特别是有限深透水地基的渗透计算，坝体的和坝基的计算是先分别计算的。渗透稳定分析不是简单地把坝体和坝基的渗漏量加起来，而是还要搞清楚坝体渗透与坝基渗透之间的关系及其对工程的影响，才能具体布置好整体的工程防渗体系，才能合理地确定竖直防渗措施的深度和平向防渗铺盖的长度。既然地球上没有绝对不透水的坝工，就应该顺应现实环境，在防止渗透变形的前提下，同时兼顾环境的生态需水的要求。

2.2.6 采用生态护坡。生态护坡是水利工程建设中的一种新型护坡措施，其不仅具备传统的固岸效果和水土流失防治效果，同时能够有效控制污染源，与整个水环境共同构成关系和谐的生态系统。采用生态护坡同时考虑在围坝迎水面常年位于水下的护坡结构设计中考虑人工鱼窝的等设置。生态护坡常用措施主要有生态混凝土护坡、自嵌式挡土墙、生态连锁式护坡、生态格网护坡等，各具特点，生态设计中应结合工程需求、水文气象、工程地质条件等综合考虑，确定适合的生态护坡措施[10]。

3 结语

随着科学技术的不断发展，会有更多更好的生态设计方法涌现，例如利用现代电子信息化的科技手段，选取水库特征点设计布置生态监测点，进行实时监测，累积基础资料，目的是用科学手段调控修复生态，真正达到尊重自然，取之有度的生态设计;期待制定出台相关的平原水库生态设计规范，让生态环境得到技术支持和制度保障。同时，生态设计又是一项任重道远、需要持之以恒的工作。只有深入研究如何因地制宜地让水和环境生态完美融合，真正达到人与自然和谐统一，才是我们不断探索和追寻的最终目标。

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